在基于光参量啁啾脉冲放大的拍瓦级超短超强飞秒激光装置中，光参量相位是阻碍脉冲时域压缩的关键因素。对中国工程物理研究院的数拍瓦全光参量啁啾脉冲放大装置（SILEX-II）的光参量相位演化进行了详细研究。研究结果表明，通过光参量放大过程累积的群延迟色散高达532 fs²，三阶色散高达5782 fs³，在未补偿光参量相位的情况下，压缩脉冲的时域峰值强度仅为傅里叶变换极限脉冲的43%。通过调节压缩器光栅间距，补偿了光参量相位的群延迟色散，将压缩脉冲的时域峰值强度增加至傅里叶变换极限脉冲的94%。研究结果为SILEX-II激光装置的脉冲时域压缩提供了有效指导，同时也为未来基于全光参量啁啾脉冲放大技术的10~100 PW高峰值功率激光器的设计提供了依据。

在光学参量啁啾反转脉冲放大(OPRCPA)系统中,展宽器和压缩器都可使用平行光栅对,从而避免常规展宽器中较大的谱剪切效应,简化展宽器结构。基于此,分析了 OPRCPA 系统中各阶色散对输出脉冲的影响,给出了相应的理论模型和数值计算方法,提出了用棱栅对补偿系统三阶色散的方案。

为了克服目前高能短脉冲装置压缩光栅的损伤阈值无法满足要求的问题，针对星光Ⅲ装置皮秒激光束的压缩器，设计了由熔石英材料构成的、具有较高损伤阈值的光子晶体光栅，该光栅由2维光子晶体和表面光栅结构两部分组成，具有高反射效率和强角色散的能力。计算结果显示:经过优化设计的光子晶体光栅在波长1 053 nm，57°～77°的入射范围内，-1级衍射效率超过了92%，而当入射角为71°时，在1 040～1 090 nm光谱范围内，-1级衍射效率超过92%，性能满足使用要求。

采用理论与实验相结合的方法研究了激光二极管阵列泵浦的Cr4+:YAG被动调Q Nd：YAG激光器的输出特性。重点分析了调Q晶体小信号透过率和反射镜的反射率对激光器的输出能量、脉冲宽度的影响。对数值模拟结果进行了实验验证，数值计算与实验结果基本一致。研究结果表明，在特定的激光晶体参数下，Cr4+:YAG被动调Q激光器的输出能量与脉冲宽度由调Q晶体的小信号透过率和输出镜的反射率决定：输出能量随着小信号透过率增加而减小，对应于一个调Q晶体透过率，有一个最佳反射率使输出能量最大；脉冲宽度随着初始透过率与反射率的增大而增大。of Cr⁴⁺:YAG passively Q-switched laser

研究了啁啾堆积脉冲的时间精细结构与子脉冲带宽、相位、啁啾量等因素的关系。结果表明:随着子脉冲带宽的微小变化，啁啾堆积脉冲的峰值功率为相同输出能力窄带脉冲功率的1.5~3.0倍；当子脉冲间存在着随机相位扰动时，啁啾堆积的峰值功率约为相同输出能力窄带脉冲功率的3倍。建立了啁啾堆积脉冲的时空非线性传输放大模型，模拟得到堆积脉冲传输过程中的非线性增长因子，并与相同能量的窄带脉冲进行了比较，揭示了啁啾堆积脉冲在高功率激光装置中的传输放大过程中出现的一些新现象以及可能导致的后果。

为了实现热容激光器远场可聚焦性的实时控制,采用角锥棱镜阵列作为准相位共轭反射镜对光束波前进行被动式实时补偿。详细研究了阵列角锥棱镜谐振腔的光学特性,通过优化谐振腔的构型,进行腔内滤波,抑制角锥之间的共轭模式,获得了在保持90％输出能力条件下的单模输出,中心主斑能量集中度提高了约4.5倍,远场可聚焦性与传统的平-凹腔比提高约10倍。结果表明,角锥棱镜阵列谐振腔具有热不灵敏的特性,可显著提高热容激光器的远场聚焦能力。

为研究激光二极管抽运的大能量重复频率Yb:YAG激光器的关键单元技术,建立了焦耳级10 Hz“V”型有源镜(AM)构型Yb:YAG激光器。设计了一套空心导管抽运耦合系统,获得了90%的抽运耦合效率。设计了水冷增益介质的热管理方案,10 Hz自由振荡模式工作时获得3.3 J激光输出,光光转换效率27.5%,相对1 Hz重复频率工作(4.4 J)能量仅下降了25%。对“正”、“背”面抽运两种构型的实验研究结果表明,“正”面抽运对介质热效应的抑制弱于“背”面抽运,与计算结果一致,但“正”面抽运效率高,无镀膜难题,更有利于工程化。

为了提高抽运效率、改善抽运均匀性、克服热退偏的影响,建立了一套V型有源镜构型热容激光器,采用数值模拟与实验研究相结合的方法,对激光介质热分布进行了研究。数值模拟充分考虑了内热源的分布不均匀性,分析了激光介质的3维热分布。实验中采用热像仪对激光介质的表面温度进行了无接触测量。数值计算和实验研究结果具有较高的一致性。研究结果表明,该激光器构型对于提高热分布均匀性有较大的帮助。

采用940 nm InGaAs激光二极管(LD)阵列端面抽运片状Yb∶YAG晶体, 谐振腔采用V形有源镜构型, 实现了1030 nm红外激光输出。实验中分别测试了激光器在不同重复频率(1 Hz, 2 Hz, 5 Hz, 10 Hz)条件下的激光输出特性。当输出耦合镜的反射率为73%, 在抽运能量为7.6 J(功率密度为13 kW/cm2) 时, 1 Hz重复频率输出稳定运行于2.43 J, 光-光转换效率为32%, 斜率效率为54.5%; 10 Hz重复频率输出稳定运行于1.76 J, 光-光转换效率为23.2%, 斜率效率为43.3%。

利用光线追迹法为12 kW激光二极管(LD)阵列抽运的Yb∶YAG激光器设计了一套空心导管型耦合系统并开展了耦合实验, 以研究大功率LD阵列端面抽运结构的高效耦合技术及模拟设计方法。基于LD结构和发光特性, 以高斯型微激射元为基本单位建立单条LD和LD阵列光源模型, 设计了由透镜和镀银板构成的抽运光汇聚传输系统。实验结果表明, 该耦合系统实现了对抽运光的高效耦合, 且强度分布与模拟结果一致。该耦合系统传输损耗低, 反射板的反射率为94%时耦合效率达92.3%; 输出光束具有良好的传输性能, 有效抽运区域接近理论值, 且增益介质表面分布均匀, 满足实验要求。